JP5477101B2

JP5477101B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP5477101B2
Application number: JP2010068197A
Authority: JP
Inventors: 道雄吉田; 裕晃森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP2011205735A

Description

本発明は、燃料電池車両に関し、特にモータが急停止した場合の燃料電池の制御に関する。

燃料電池車両の駆動系には、燃料電池と蓄電池を、インバータを介して車両駆動用のモータに対して並列に接続し、燃料電池・インバータ間、及び蓄電池・インバータ間にそれぞれコンバータを設けることで、各電池からの出力電圧を制御する構成が広く用いられている。

このような構成においてモータが急停止した場合、通信の遅れや、制御の安定性等のために生のモータ回転数ではなくフィルタ等により鈍らせた回転数を用いているなどの事情により、急停止から、その急停止に応じた制御指令が燃料電池・インバータ間のコンバータに伝わるまでにはある程度のタイムラグができる。このタイムラグの間は、モータが電力を消費しないにもかかわらず、燃料電池・インバータ間のコンバータは燃料電池の発電を続行させる状態となっている。この間に燃料電池で発電された電力は、モータでは消費されないので、蓄電池・インバータ間のコンバータを介して蓄電池に充電される。

このような余剰電力は、ある程度ならば蓄電池にて吸収可能であるが、余剰する発電量によっては、蓄電池で吸収しきれなくなる可能性があった。このように蓄電池で吸収しきれないほどの余剰発電がなされると、システムの電力制御に悪影響を与える可能性があった。

特許文献１には、燃料電池の余剰発電量を蓄電池に充電する車両において、前走車両との車間距離が基準距離より短い場合には、燃料電池と蓄電池用コンバータとモータとの間の分岐点の電圧を昇圧することで、余剰発電量を抑制することが開示されている。

特許文献２には、燃料電池と蓄電池とを備え、燃料電池システムから燃料電池側昇圧コンバータを介してモータに電力を供給するハイブリットシステムにおいて、モータ負荷に応じて燃料電池側昇圧コンバータを制御する際、昇圧比が１以下の場合には、燃料電池側昇圧コンバータを停止させることで、燃料電池とモータを電気的に直結することが開示されている。この文献のシステムでは、モータの要求電圧が燃料電池の要求電圧よりも低い場合、燃料電池側昇圧コンバータを停止させることで、コンバータによるスイッチング損失を低減している。

特開２００９−１６５３０４号公報特開２００９−１６５２４４号公報

特許文献１に開示される方式は余剰発電量の制御に関するものであるが、前走車両との車間距離に基づく制御であり、モータの急停止時の余剰電力について着目したものではない。また、特許文献２に開示される方式は、低負荷領域でのコンバータのスイッチング損失の低減のためのものであり、モータの急停止時の課題についての何らの示唆もなく、モータ急停止時の問題を解決するものではない。

本発明は、燃料電池車両におけるモータ急停止時に、燃料電池の余剰発電力が蓄電池に過大に供給されるような状況を抑制することを目的とする。

本発明に係る燃料電池車両は、燃料電池と、車両用モータと、前記車両用モータを駆動するためのインバータと、前記燃料電池と前記インバータとの間に設けられ前記燃料電池の端子電圧を前記車両用モータへの入力電圧に変換する燃料電池用コンバータと、前記インバータを介して前記燃料電池と並列に前記車両用モータに接続された蓄電池と、前記蓄電池と前記インバータとの間に設けられ前記蓄電池の端子電圧を前記モータへの入力電圧に変換する蓄電池用コンバータと、前記車両用モータの急停止を検出する急停止検出手段と、前記急停止検出手段により前記車両用モータの急停止が検出された場合に、前記燃料電池用コンバータを停止させる制御を行うことにより、電気的な直結状態によって前記燃料電池の前記端子電圧が前記燃料電池の開回路電圧より高くなるようにするコンバータ制御手段と、を備える。

１つの態様では、燃料電池車両は、前記コンバータ制御手段が、前記急停止検出手段により前記車両用モータの急停止が検出された時点以降、前記燃料電池用コンバータを停止させている間、前記インバータに対する電圧指令値を前記燃料電池の前記開回路電圧以上の値とするインバータ制御手段、を更に備える。

更なる態様では、前記インバータ制御手段は、前記急停止検出手段により前記車両用モータの急停止が検出された時点での前記インバータに対する電圧指令値が前記開回路電圧以上である場合に、当該電圧指令値を保持し、前記燃料電池用コンバータを停止させている間、保持した前記電圧指令値を前記インバータに与える。

更なる態様では、燃料電池車両は、前記車両用モータの消費電力を計測する消費電力計測手段と、前記燃料電池の出力電力を計測する出力電力計測手段と、を更に備え、前記コンバータ制御手段は、前記急停止検出手段により前記車両用モータの急停止が検出されたことに応じて前記燃料電池用コンバータを停止させた後、前記出力電力計測手段が計測する前記燃料電池の出力電力が、前記消費電力計測手段が計測する前記車両用モータの消費電力を下回った場合に、前記燃料電池用コンバータを駆動する。

更なる態様では、前記急停止検出手段は、前記消費電力計測手段が計測する前記消費電力の単位時間あたりの低下量があらかじめ定めた閾値以上となった場合に、前記車両用モータが急停止した旨を検出する。

別の態様では、前記急停止検出手段は、前記車両用モータの消費電力を計測する消費電力計測手段から得た前記消費電力の単位時間あたりの低下量があらかじめ定めた閾値以上となった場合に、前記車両用モータが急停止した旨を検出する。

本発明によれば、燃料電池車両におけるモータ急停止時に、燃料電池の余剰発電力が蓄電池に過大に供給されるような状況を抑制することができる。

実施形態の制御が適用される燃料電池車両の駆動機構の例を示す図である。実施形態の制御手順の一例の一部分を示すフローチャートである。実施形態の制御手順の一例の残りの部分を示すフローチャートである。実施形態の制御による効果を説明するための図である。実施形態の変形例の制御手順の一例の一部分を示すフローチャートである。実施形態の変形例の制御手順の一例の残りの部分を示すフローチャートである。実施形態の第２の変形例の制御手順の一例を示すフローチャートである。

図１に、本実施形態の制御が適用される燃料電池車両の駆動系の一例を示す。
この例において、モータ１０は、例えば三相交流モータであり、燃料電池車両の駆動輪を駆動するための駆動力を発生する。インバータ１２は、燃料電池１４及びバッテリ１８から供給される直流電力を、モータ１０に供給する三相交流電力へと変換する。

燃料電池１４は、例えば、水素タンク（図示省略）に貯蔵されている水素ガスとコンプレッサ（図示省略）によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応にて発電を行う。燃料電池１４とインバータ１２との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータである燃料電池用コンバータ１６が電気的に接続されている。一般に、モータ１０は、上記特許文献にも説明されている通り燃料電池１４が出力可能な電圧よりもはるかに高い電圧で駆動した方が効率がよいので、燃料電池１４の出力電力が燃料電池用コンバータ１６により昇圧され、インバータ１２に印加されるのである。また、この燃料電池用コンバータ１６の昇圧動作によって燃料電池１４の端子電圧を制御することも可能となる。

バッテリ１８は、充放電が可能な蓄電池である。バッテリ１８とインバータ１２との間に、インバータ１２に対して燃料電池用コンバータ１６と並列になるように、ＤＣ−ＤＣコンバータであるバッテリ用コンバータ２０が電気的に接続されている。これにより、バッテリ１８からの出力電圧は、バッテリ用コンバータ２０により、モータ１０の駆動に適した比較的高い電圧まで昇圧され、インバータ１２に印加される。

また、制御装置２２は、以上に例示したものを含む駆動系の各要素を電子制御するためのコンピュータであり、ＥＣＵ等とも呼ばれる。制御装置２２は、例えば、アクセルペダルの開度を示す信号を受け取り、この信号とモータ１０の回転数の検出信号などとに基づき、燃料電池１４の発電量やバッテリ１８の充放電量の制御などを行う。また、制御装置２２は、インバータ１２や、燃料電池用コンバータ１６、バッテリ用コンバータ２０の制御も行う。

また、回転数センサ２４は、モータ１０の回転数を計測するレゾルバなどのセンサである。回転数センサ２４の計測したモータ回転数を表す信号は、制御装置２２に供給される。制御装置２２は、この回転数の信号を用いて各種制御を行う。

次に、制御装置２２が実行する本実施形態の制御の手順について、図２及び図３を参照して説明する。制御装置２２は、図１に例示した駆動系が起動し、モータ１０の駆動が開始された後、図２及び図３の処理を実行する。

図２は、本実施形態のコンバータ制御のための制御フラグ（「急停止フラグ」と呼ぶ）の値を、モータ１０の急停止、及び急停止からの離脱に応じて切り替える制御手順を示す。図２の処理では、制御装置２２は、モータ１０の急停止が生じたかどうかを、例えば一定の時間間隔ごとに判定する（Ｓ１０）。一例では、モータ１０の急停止は、回転数センサ２４から通知される回転数の時間的な低下率の大きさが、あらかじめ定められた閾値を上回った場合に、モータ１０が急停止したと判定する。モータ回転数の低下率は、例えば、前回判定時のモータ回転数からみた、今回の判定時のモータ回転数の低下量を、前回と今回の判定時刻同士の差により除することで求めればよい（なお、判定間隔が一定であれば、低下量自体が低下率と同等の意味を持つので、除算は不要）。急ブレーキや故障などのような何らかの事情で車両が急停止した場合、一般にモータ１０も急停止し、このモータ１０の急停止が上述のようにモータ回転数の急低下として検出される。

なお、燃料電池１４の発電量の制御には、制御の安定性のためにフィルタ等で鈍らされた回転数信号を用いていたが、Ｓ１０の判定では、回転数センサの生の出力信号を用いるか、あるいは少なくとも発電量制御用の回転数信号フィルタよりも時定数の小さい（したがって時間遅れの少ない）積分フィルタを通した回転数センサの出力信号を用いればよい。

Ｓ１０でモータ１０が急停止したと判定すると、制御装置２２は直ちに急停止フラグの値を「ＯＮ」にセットする（Ｓ１２）。なお、急停止フラグの値は、駆動系の起動時には「ＯＦＦ」に初期化されている。

急停止フラグをＯＮにセットした後、制御装置２２は、モータ１０が急停止状態から離脱したかどうかを判定する（Ｓ１４）。例えば、回転数センサ２４から通知される回転数の時間的な低下率の大きさが、急停止判定のための前述の閾値以下となった場合（モータ回転数が増加する場合も含む）に、モータ１０が急停止状態から脱したと判定すればよい。モータ１０の急停止状態からの離脱が検出されるまで、例えば定期的にＳ１４の判定を繰り返す。Ｓ１４でモータ１０が急停止状態から離脱したと判定した場合、制御装置２２は急停止フラグの値を「ＯＦＦ」に変更する（Ｓ１６）。この変更の後、制御装置２２の処理はＳ１０に戻る。

なお、Ｓ１０の判定は、モータの急停止が検出出来るように十分短い時間間隔ごとに行う。Ｓ１４の判定の間隔はＳ１０の判定間隔と同じでよいが、これに限られるわけではない。

図３は、急停止フラグに基づく、燃料電池用コンバータ１６の駆動制御の手順の一例を示す。制御装置２２は、例えば定期的に図３の手順を実行する。図３の手順の実行間隔は、図２の手順のＳ１０（急停止判定）の実行間隔と同程度でよい。

図３の手順では、制御装置２２は、急停止フラグの値を調べる（Ｓ２０）。急停止フラグの値がＯＮであれば、燃料電池用コンバータ１６を停止させる（Ｓ２２）（既に駆動している場合は、停止状態を維持する）。一方、急停止フラグがＯＦＦであれば、燃料電池用コンバータ１６を駆動する（Ｓ２４）（既に駆動している場合は、駆動状態を維持する）。

この制御によれば、図４に示すように、モータ１０の回転数の急低下が検出されるとモータ急停止と判定され、この判定がなされたタイミングで、それまで動作していた燃料電池用コンバータ１６が直ちに停止される。燃料電池用コンバータ１６が停止すると、燃料電池１４とインバータ１２とが電気的に直結状態となる。この結果、図４に図示するように、燃料電池１４の出力端子電圧Ｖ１（図１参照）が、インバータ１２の入力端子電圧Ｖ２に等しくなる。一般的な動作状況では、インバータ１２の入力端子電圧Ｖ２は、燃料電池１４の出力端子電圧Ｖ１よりもはるかに高く、燃料電池１４の開回路電圧（略称ＯＣＶ：Open Circuit Voltage。１Ｖ程度。開放電圧とも呼ばれる）よりもはるかに高い。したがって、一般的な状況では、燃料電池用コンバータ１６を停止させることで、Ｖ１が燃料電池１４のＯＣＶを超えるため、燃料電池１４は発電を行わなくなり、余剰な発電電力が出力されることがなくなる。これにより、大きな余剰発電電力がバッテリ用コンバータ２０を介してバッテリ１８に向かうことがなくなり、そのような余剰発電電力によるコンバータ２０やインバータ１２に対する悪影響も低減出来る。

なお、（あまり起こらないことであるが）仮にモータが急停止した時点でＶ２がＶ１よりも低い場合は、燃料電池用コンバータ１６の停止により燃料電池１４の余剰発電が助長されることになる。しかし、この場合も、余剰発電された電力がバッテリ１８側に流せなくなった時点で、Ｖ２が上昇し、これに伴ってＶ１も上昇してＯＣＶに到達し、燃料電池１４の余剰発電が停止することになる。ここで、このような急停止が生じた場合において、Ｖ２がＯＣＶより低い状態であれば、Ｖ２の値を指示する指令値をＯＣＶ以上の値に変更する制御を行ってもよい。この制御は、Ｖ２がＯＣＶより低いままでその電圧値を保持すると、余剰発電量によってはコンバータ２０に過電流が生じる可能性があることに対する対処である。

そして、このように燃料電池用コンバータ１６を停止したあと、モータ１０が急停止状態から離脱すると、制御装置２２の制御により燃料電池用コンバータ１６の駆動が再開される。この駆動再開により、アクセル踏み込み等による新たな電力需要に対応する準備ができる。

このように、本実施形態によれば、モータの急停止を検知した場合に、燃料電池用コンバータ１６を停止させることで燃料電池１４の余剰発電を止めることができるので、システムの電力制御に対する悪影響を低減することができる。

次に、図５及び図６を参照して、上記実施形態の変形例を説明する。図５及び図６は、制御装置２２の制御手順の例を示すものであり、図２及び図３にそれぞれ対応している。図２及び図３に示したステップと同様のステップには同一符号を付して詳細な説明は省略する。

この変形例では、制御装置２２は、図５に示すように、モータ１０の急停止を検知した後、急停止フラグをＯＮにセットすると共に、その検知時点にインバータ１２に供給していた入力電圧指令値をラッチする。ラッチした入力電圧指令値を以下では、ラッチ値と呼ぶ。そして、図６の手順では、図２２で燃料電池用コンバータ１６を停止させた後、その時点でラッチされているラッチ値と、通常のインバータ制御ルーチンにより求められる通常の入力指令値とを比較する（Ｓ３２）。通常の入力指令値は、実際のＶ２の値に対応する。Ｓ３２で通常の入力指令値がラッチ値以上の電圧値であると判定されれば、制御装置２２は、インバータ１２に対する入力電圧指令値に、その通常電圧指令値を設定する（Ｓ３４）（ただし、まだこの時点ではその設定値をインバータ１２には指示しない）。また、Ｓ３２でラッチ値が通常の入力指令値より低いと判定されれば、制御装置２２は、インバータ１２に対する入力電圧指令値に、そのラッチ値を設定する（Ｓ３６）（この場合も、この時点ではその設定値をインバータ１２には指示しない）。

そして、制御装置２２は、設定された入力電圧指令値に対して、下限ガード処理を実行する（Ｓ３８）。下限ガード処理は、その設定された入力電圧指令値が燃料電池１４のＯＣＶより小さければ、入力電圧指令値をＯＣＶ以上のあらかじめ定められた値に設定変更する処理である。

図５及び図６に示した変形例の制御によれば、モータ急停止を検出した時点以降、その検出時点のＶ２（インバータ１２の入力端子電圧）以上となるようにインバータ１２への入力電圧指令値が制御される。したがって、Ｖ２すなわちインバータ１２の入力端子電圧が可変制御される場合でも、モータ急停止時の電力制御への悪影響を低減することができる。また、インバータ１２への入力電圧指令の下限ガード処理によりＶ２が燃料電池１４のＯＣＶを下回ることがないように制御されるので、モータ急停止の検出時点で仮にＶ２がＯＣＶを下回っていた場合でも、燃料電池１４に余剰発電を行わせないようにすることができる。

なお、インバータ１２への入力電圧指令の下限ガード処理（Ｓ３８）は、図３の手順に適用することもできる。

次に、図７を参照して、上記実施形態の第２の変形例を説明する。図７は、図３の手順にＳ４０を加えたものである。

すなわち、この第２の変形例では、急停止フラグをＯＮに設定した後、モータ１０が急停止状態から離脱していない段階でも、モータ１０の消費電力が燃料電池１４の出力電力を上回っている（前者が後者以上でもよい）ことが検知された場合には、急停止フラグをＯＦＦに変更する（Ｓ１６）。すなわち、モータ１０が急停止の途中（すなわちモータ回転数の低下率の絶対値が閾値以上のまま）であっても、モータ１０の電力消費よりも燃料電池１４の発電電力が小さくなった時点で、燃料電池用コンバータ１６の駆動を再開するのである。この駆動再開により、それまでＶ２に合わせて上昇していたＶ１が低下し、燃料電池１４の発電が再開されることになる。このように発電が再開されても、この時点では、モータ１０の電力消費の方が大きいので、余剰発電とはなりにくく、電力制御への悪影響は少ない。

なお、モータ１０の消費電力は、例えば、モータ１０を流れる電流を計る電流計の出力値と、インバータ１２の出力電圧を計る電圧計の出力値（或いはインバータ１２に対する出力電圧指令値）とから求めればよい。もちろんこれは一例に過ぎず、他の手法を用いてもよい。

この第２の変形例によれば、急停止状態からの離脱を待つ場合よりも燃料電池用コンバータ１６の駆動再開を早めることができる場合がでてくる。急停止後にアクセルが踏まれた時点で燃料電池用コンバータ１６が停止していると、コンバータ１６の駆動再開に短いとはいえある程度の時間が掛かるため、アクセルが踏まれてからこれに応じてモータ１０の出力が増大するまでに多少の時間遅れが生じる。これに対し、この変形例では、急停止状態からの離脱又は燃料電池出力がモータの電力消費を下回ったことのどちらか早い方をトリガとして燃料電池用コンバータ１６の駆動再開を行うことができるので、燃料電池用コンバータ１６の駆動再開を早めることができ、ひいては、急停止後にアクセルが踏まれた場合のレスポンスの向上を見込むことができる。

以上、実施形態及びその変形例を説明した。以上では、Ｓ１０のモータ１０の急停止の判定を、回転数センサ２４からの回転数信号に基づき行った。しかし、これは一例に過ぎない。

例えば、ある極端な例として、下り坂で何らかの事情でモータ１０が急停止した（すなわち急に駆動力を発生しなくなった）場合を考える。この場合、モータ１０は駆動力を発生しないという意味で急停止しているのであるが、車両は重力により下り坂を下っていくので、駆動輪が回転し、これに応じてモータ１０も回転する。このため、モータ１０が急停止しているにもかかわらず、回転数センサ２４の示す回転数の低下率の大きさが閾値を超えない場合も起こり得る。この場合、モータ回転数で判定していると、急停止と判定されないので、上述した余剰発電の問題が起こってしまう。

そこで、制御装置２２が、Ｓ１０の動作として、モータ１０の回転数の代わりにモータ１０の消費電力を監視し、消費電力の低下率の大きさが、あらかじめ定めたある閾値を上回った場合に、モータ１０が急停止したと判定することも考えられる。このようにモータ消費電力により判定することとすれば、モータ１０の回転数が急低下しない場合でも、モータ１０の消費電力が急低下していれば、上述した余剰発電に対する対策処理（コンバータ１６の停止）を行うことができる。

なお、この場合、モータの消費電力の低下が緩和した時点（すなわち、低下率の大きさが閾値以下になるか、或いは消費電力が増大する時点）で、コンバータ１６の駆動を再開するようにしてもよい。

また、モータ回転数の急低下の判定とモータ消費電力の急低下の判定の両方を実行し、いずれか早い方の判定が成立した時点で、上述した余剰発電に対する対策処理を実行するようにしてもよい。

また、以上の例では、制御装置２２の処理は、図２の処理と図３の処理（或いは図５の処理と図６の処理）に分けられていたが、これはあくまで一例に過ぎない。この代わりに、両者を統合した１つのフローで同様の制御を実現してもよいし、同様の制御を３以上のフローにより実現するようにしてもよい。

１０モータ、１２インバータ、１４燃料電池、１６燃料電池用コンバータ、１８バッテリ、２０バッテリ用コンバータ、２２制御装置、２４回転数センサ。

Claims

燃料電池と、
車両用モータと、
前記車両用モータを駆動するためのインバータと、
前記燃料電池と前記インバータとの間に設けられ前記燃料電池の端子電圧を前記車両用モータへの入力電圧に変換する燃料電池用コンバータと、
前記インバータを介して前記燃料電池と並列に前記車両用モータに接続された蓄電池と、
前記蓄電池と前記インバータとの間に設けられ前記蓄電池の端子電圧を前記モータへの入力電圧に変換する蓄電池用コンバータと、
前記車両用モータの急停止を検出する急停止検出手段と、
前記急停止検出手段により前記車両用モータの急停止が検出された場合に、前記燃料電池用コンバータを停止させる制御を行うことにより、電気的な直結状態によって前記燃料電池の前記端子電圧が前記燃料電池の開回路電圧より高くなるようにするコンバータ制御手段と、
を備える燃料電池車両。
前記コンバータ制御手段が、前記急停止検出手段により前記車両用モータの急停止が検出された時点以降、前記燃料電池用コンバータを停止させている間、前記インバータに対する電圧指令値を前記燃料電池の前記開回路電圧以上の値とするインバータ制御手段、
を更に備える請求項１に記載の燃料電池車両。
前記インバータ制御手段は、前記急停止検出手段により前記車両用モータの急停止が検出された時点での前記インバータに対する電圧指令値が前記開回路電圧以上である場合に、当該電圧指令値を保持し、前記燃料電池用コンバータを停止させている間、保持した前記電圧指令値を前記インバータに与える、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両。
前記車両用モータの消費電力を計測する消費電力計測手段と、
前記燃料電池の出力電力を計測する出力電力計測手段と、
を更に備え、
前記コンバータ制御手段は、前記急停止検出手段により前記車両用モータの急停止が検出されたことに応じて前記燃料電池用コンバータを停止させた後、前記出力電力計測手段が計測する前記燃料電池の出力電力が、前記消費電力計測手段が計測する前記車両用モータの消費電力を下回った場合に、前記燃料電池用コンバータを駆動する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
前記急停止検出手段は、
前記消費電力計測手段が計測する前記消費電力の単位時間あたりの低下量があらかじめ定めた閾値以上となった場合に、前記車両用モータが急停止した旨を検出する、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両。
前記急停止検出手段は、
前記車両用モータの消費電力を計測する消費電力計測手段から得た前記消費電力の単位時間あたりの低下量があらかじめ定めた閾値以上となった場合に、前記車両用モータが急停止した旨を検出する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両。